淋洗与植物作用耦合对盐渍化土壤的改良效应

唐让云, 曹 靖, 董 放, 董利苹, 孔晓乐

兰州大学生命科学学院草地农业生态系统国家重点实验室, 兰州 730000

淋洗与植物作用耦合对盐渍化土壤的改良效应

唐让云, 曹 靖*, 董 放, 董利苹, 孔晓乐

兰州大学生命科学学院草地农业生态系统国家重点实验室, 兰州 730000

淋洗与植物作用; 盐渍化土壤; 耐盐植物; 根际土壤

干旱半干旱灌溉区土壤盐渍化是制约农业可持续发展最严重的环境问题之一[1- 2]。全世界约有9.5×108hm2的盐渍化土壤，近年来其面积有扩大趋势，盐渍化程度不断加剧[3]。因此，采取合理的措施控制或治理土地盐渍化的发生是亟待解决的关键问题。工程措施即单纯洗盐在改良盐渍化土壤方面非常有效，但在水资源短缺的干旱半干旱地区很难推广[4]；化学措施见效快，但存在一定的局限性[5]；生物措施与前两种措施相比既有低廉和环保的效果，又能产生一定的经济效益[4,6]。

1 材料与方法

1.1 实验材料

供试土壤采集于引大灌区永登县次生盐渍化农田土壤，其基本理化性质(表1)采用常规分析测定[12]。供试牧草选自引大灌区盐渍化土壤上生长良好的5种耐盐植物：新疆大叶(MedicagoSativa.L.cv.Xinjiangdaye)、中兰一号(MedicagoSativa.L.cv. Zhonglan No.1)、朝鲜碱茅(Puccinelliachinampoensis)、霸王(Zygophyllumxanthoxylum)、向日葵(HeilanthusannuusL.)。

表1 供试土壤的基本理化性质

1.2 植物培养及样品采集

试验在大棚内进行，采用盆栽根袋法[10]。供试土壤在室内风干后过2 mm筛待用。植株移栽前添加肥料(尿素和磷酸二氢钾)，添加量如下：200 mgN/kg干土，100 mgP2O5/kg干土，并充分混合均匀。根袋用320目孔径的尼龙网纱缝制而成，直径7 cm，高13 cm，每个根袋内装入0.8 kg备好的土壤，相同的供试土壤也装入高19 cm，内径23 cm的盆中，同时在盆中央埋入备好的根袋1个，使装好的盆重为5.5 kg(即总重达6.3 kg)。用称重法控制土壤含水量，使土壤含水量达到140 g/kg备用。在每个根袋内播入露白的植物种子20粒，出苗后留苗12株。每个品种18个重复，另外留18盆作为对照(即没有种植植物处理的土壤)。生长期内每14 d浇1次水，每次每盆浇1 L蒸馏水，其它不做任何处理[13]。分别在培养60 d，90 d和120 d时进行采样，每种植物选择6盆，根袋内距离根系2—4 mm处的土壤作为根际土，靠近盆边缘的土壤作为非根际土[14]，同时选取6盆对照土壤。

1.3 样品的分析测定

1.4 数据处理

用 Excel 作图，用spss17.0进行统计分析，采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 土壤pH值的动态变化

由对照可以看出，单纯的淋洗作用对土壤pH值影响不大，淋洗结合植物种植后土壤pH值随着培养时间和淋洗次数的延长降低幅度较大(图1)。在培养120 d时降低最明显，且差异显著(P<0.05)。随培养时间的延长，在不同的耐盐植物中，霸王、向日葵根际土壤pH值始终小于同一培养时期的非根际土壤pH值；而新疆大叶和朝鲜碱茅在培养60 d后根际土壤pH值也小于非根际土壤，中兰一号在各个培养时期根际和非根际pH值差异不显著；在培养120 d时，霸王根际土壤pH值下降幅度最大，比种前降低了0.6个单位，而新疆大叶的根际土壤pH值则下降幅度最小，比种前仅降低了0.25个单位，以上均说明相比种前淋洗结合植物种植降低了盐渍化土壤的pH值。

图1 不同植物根际和非根际土壤不同培养天数pH的变化Fig.1 Dynamics of pH in the rhizosphere soil and bulk soil of different plantsR: Rhizosphere soil; S: Bulk soil; 0D: 0天; 60D: 60天; 90D: 90天; 120D: 120天; 小写字母表示同一植物在不同培养时期的显著性分析

2.2 淋洗与植物作用耦合对土壤盐分离子含量的影响

由表2可以看出，对照和种植植物的土壤中可溶性盐分总量随着淋洗次数和培养时间的延长而降低，在培养120 d时降到最低，且远远小于种前；在培养120 d时，对照土壤盐分总量相比种前平均下降了51.5%，5种耐盐植物种植后土壤中可溶性盐分总量与种前相比平均下降了77.7%，与对照相比平均下降了54%，其中根际土壤盐分与对照相比下降了27.56%—52.9%，非根际土壤盐分下降了39.85%—51.16%。在培养120 d时，5种耐盐植物根际土壤盐分总量均大于非根际土壤，其中霸王根际土壤盐分总量最高，说明霸王根际富集盐分离子的能力最强。

表2 淋洗与植物作用耦合对土壤盐分离子含量的影响(g/kg)

2.3 各种作用机制下土壤盐分减少的比例

表3 各种作用机制下土壤盐分减少的比例 (g/kg)

①对照组土壤中减少的离子质量(g/kg)=(培养前根际土中X的起始浓度 × 根袋中土壤质量 × 离子的摩尔质量 + 培养前非根际土中X的起始浓度 × 非根际土的质量 × 离子的摩尔质量)/100 - (对照组根际土中X的浓度 × 根袋中土壤质量 × 离子的摩尔质量 + 对照组非根际土中X的浓度 × 非根际土的质量 × 离子的摩尔质量)/100;

②植物地上部吸收带走的离子质量(g/kg)= 每100g地上部干物质含X的质量 × 平均每盆地上部干物质;

③根系物理化学作用下对X淋洗质量的增加量(g/kg)=植物收获后土壤中减少的X总质量 - 对照组土壤中减少的离子质量 - 植物吸收带走的离子质量;

④植物收获后土壤中X减少的总量(g/kg)=(培养前根际土中X的起始浓度 × 根袋中土壤质量 × 离子的摩尔质量 + 培养前非根际土中X的起始浓度 × 非根际土的质量 × 离子的摩尔质量)/100 - (植物根际土中X的浓度 × 根袋中土壤质量 × 离子的摩尔质量 + 植物非根际土中X的浓度 × 非根际土的质量 × 离子的摩尔质量)/100;

X: 7种离子中的任意一种

3 讨论

一些研究表明，盐渍化土壤种植植物可降低土壤pH值[14,16]，而王丽娜等对设施土壤的研究表明，保护地土壤pH值随淋洗次数的增加而增加[17]，李从娟等结果显示种植沙生耐盐植物可降低盐渍化土壤pH值，且根际土壤pH值小于非根际[13]。本研究结果表明单纯淋洗下土壤pH值基本不变，而淋洗与植物作用耦合后可有效地降低土壤pH值，且在培养120 d时根际土壤pH值降低幅度较大。不同耐盐植物的根际和非根际土壤pH值降低幅度不同，霸王根际土壤pH值降低幅度最大，新疆大叶根际土壤pH值降低幅度最小，且差异显著(P<0.05)。植物根际土壤pH值下降可能的原因是：(1) 植物对阴阳离子吸收不平衡引起的pH值变化[18]；(2) 植物根系、根际微生物呼吸和根系分泌有机酸以及有机质分解释放CO2引起土壤pH值下降[18]；(3) 植物对氮素形态的适应以及对不同形态氮素的生理响应使根际pH值发生变化[19]，而本研究pH值降低的原因可能是由前两点所引起的。

一般来讲，灌水是快速降低土壤盐分的有效措施，阎顺国等田间试验表明，从播种至第3年生长季末，灌溉淋溶产生的脱盐量占草地总脱盐量的89%[20]，灌水量的多少和次数直接关系到土壤盐分降低的多少，对滨海盐渍土的研究表明，淋洗量大的脱盐效果优于淋洗量小的[10]；设施盐渍化土壤经过2次灌水洗盐后，表层(0—20 cm)土壤电导率降低幅度达53%—64%[21]；赵可夫等研究表明在轻质和重质盐渍土上种植耐盐植物1年后，耕层土壤含盐量下降幅度为10%—20%[22]；在含盐量为0.3%的盐渍土上种植鲁梅克斯，1年后植物收获可带走150—200 kg/hm2盐分[23]；阎顺国等对裸地和碱茅草地灌水后脱、积盐速度的比较研究显示：在0—40 cm土层，碱茅草地的脱盐速度高于裸地，二者在灌水条件下的脱盐速度差异不显著，但碱茅草地的积盐速度仅为裸地的1/7(抽穗期)—1/3(成熟收割期)[20]。以上研究结果表明，淋洗与植物作用耦合加速了土壤的脱盐速率，增加了脱盐量，降低了土壤的盐渍化程度，在本实验中，土壤盐分总量随着淋洗次数和培养时间的延长而降低，5种耐盐植物组相比种前和单纯淋洗的对照土壤盐分分别降低了72.3%—82.2%和42.9%—61.7%，这说明淋洗结合植物种植有利于土壤脱盐。

与已有的研究结果相类似[18]，本研究表明种植耐盐植物可以有效地促进土壤脱盐，其原因可能有以下两个方面：(1) 植物的覆盖作用，减少了土壤水分蒸发，有效抑制了土壤盐分的表聚发生[24]，有利于土壤脱盐；(2) 植物对离子的选择性吸收[25]，植物体收获后也能够带走一部分盐分，使土壤含盐量降低，本实验表明霸王根际盐分聚集程度和地上部分吸收带走的盐分均较其他4个供试植物更为明显，表明霸王是较好的改良盐渍化土壤的材料。阎顺国等田间试验表明单纯灌溉淋溶产生的脱盐量占草地总脱盐量的89%[20]，单纯淋洗作用只有淋溶带走土壤盐分，而种植植物后，由于植物的作用会带走更多的盐分[24- 25]，本研究结果与Ahmad等研究一致[26]。淋洗与植物作用耦合对盐渍化土壤的改良效果好于单独使用淋洗措施，但淋洗结合种植不同耐盐植物对盐渍化土壤的改良效果有所不同。

4 结论

(1)单纯淋洗对土壤pH值没有影响，而淋洗与植物作用耦合能够明显降低土壤pH值。根际土壤pH值与生长同期非根际的相比因物种不同而有所差异，随培养时间的延长根际土壤pH值小于非根际，其中霸王的根际土壤pH值降低最明显，相比种前下降了0.6个单位。

(4)实验表明根际土壤盐分聚集程度大于非根际土壤盐分，为植物根际的“盐岛效应”提供了理论依据，其中霸王根际聚集盐分程度最大，改良盐渍化土壤效果最好。

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Amelioration of salt-affected soils via combination of leaching and plant cultivation

TANG Rangyun, CAO Jing*, DONG Fang, DONG Liping, KONG Xiaole

StateKeyLaboratoryofGrasslandAgro-ecosystems,SchoolofLifeScience,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China

leaching and plant cultivation; salt-affected soil; salt-tolerant plant; rhizosphere soil

国家自然科学基金项目(31071866)；甘肃省自然科学基金项目(096RJZA066)

2013- 12- 26;

日期:2014- 11- 03

10.5846/stxb201312263033

*通讯作者Corresponding author.E-mail: caojing@Lzu.edu.cn

唐让云, 曹靖, 董放, 董利苹, 孔晓乐.淋洗与植物作用耦合对盐渍化土壤的改良效应.生态学报,2015,35(17):5686- 5694.

Tang R Y, Cao J, Dong F, Dong L P, Kong X L.Amelioration of salt-affected soils via combination of leaching and plant cultivation.Acta Ecologica Sinica,2015,35(17):5686- 5694.